石墨烯材料在水处理中的应用:传质机制与吸附特性

石墨烯由于独特的单原子层二维结构和高比表面积等优异性能而被用作选择性分离膜和吸附剂,在水处理领域具有潜在的应用前景.本文综述了石墨烯纳米多孔膜和层状堆叠的氧化石墨烯渗透膜对气体、水及离子的传质行为.纳米多孔膜因其制备技术和不成熟的打孔技术等原因而具有一定局限性;而层状渗透膜由于制备方法简单、成本低、高通透性和高选择性等优点,在水净化领域具有广阔的应用空间.进一步综述了石墨烯吸附材料对水中重金属离子、染料和有机污染物的吸附行为,分析了石墨烯材料表面官能团与污染物的相互作用机理.最后展望了石墨烯材料在膜分离、海水淡化和污染物去除等环境应用中的机遇和挑战.     

石墨烯片层孔道设计及其结构调控

石墨烯——最薄的二维碳材料,因其具有卓越的机械、光学、电子和热性能,使其在复合材料、电子器件、能源储存和吸附分离等许多领域都具有广泛的应用.石墨烯筛(graphene nanomesh)作为一种在石墨烯片层引入纳米孔的多孔石墨烯,除了具有石墨烯本身固有的特性之外,其可调控的孔结构设计为石墨烯筛功能性应用提供了新的选择.本文综述了常见的石墨烯筛合成方法并展望了其未来发展前景.     

纳米炭/环氧树脂复合材料黏弹阻尼性能

碳纳米管和石墨烯作为近年来兴起的新型纳米炭材料,以其独特的一维/二维结构形态和卓越的物理性能已引起人们广泛关注.将纳米炭材料与环氧树脂进行复合制得纳米炭/环氧树脂复合材料,可以赋予材料更为优异的力学、电学、热学等综合性能.纳米炭材料的加入可以在复合材料内部引入更多的界面,造成显著的能量耗散,从而使得纳米复合材料在具有轻质高强特性的同时,兼具优异的黏弹阻尼性能,对于延长材料使用寿命、提高材料减震降噪性能等方面具有极为重要的意义.本文主要论述了纳米炭/环氧树脂复合材料的黏弹阻尼性能以及近期的相关研究进展,重点阐述碳纳米管、石墨烯及其复合材料的阻尼作用机理,介绍了纳米复合材料黏弹阻尼性能的测试方法,指出纳米炭/环氧树脂阻尼复合材料领域存在的主要问题,并对其应用前景进行了展望.     

基于石墨烯开发的高分子复合材料在电磁屏蔽领域中的应用

电子与通讯设备广泛地应用于工业、商业、科学研究以及军事等领域,电磁辐射对人体健康造成不良的影响,使得电磁屏蔽一直是现代社会需要重视的一大问题,因此也催生了对不同类型的电磁屏蔽材料的制备与性能的研究.与传统的金属电磁屏蔽材料相比,以碳材料作为填料的高分子复合材料在电磁屏蔽领域有着自己独特的优势,包括重量轻、耐腐蚀、易加工、具有柔性以及可吸收频率范围广.石墨烯作为一种新型的二维纳米碳材料,具有极其优异的电学、力学和热力学性能,这些优异的性能使得石墨烯在与高分子材料形成复合材料后具有极佳的作为电磁屏蔽材料的潜质.此外,在航空航天、武器装备、军事防护、汽车工业以及微电子业中,对所使用的电磁屏蔽材料的热稳定性、力学性能也都有更高的要求.石墨烯-高分子复合材料比其他的含碳复合材料具有更大的优势来满足这些挑战.本文对应用于电磁屏蔽领域的石墨烯-高分子复合材料中石墨烯的制备方式进行分类,总结了目前此类复合材料的电磁屏蔽效能.     

石墨烯霍尔元件

回顾了石墨烯霍尔元件的现状,并展望了其应用前景.石墨烯霍尔元件能够充分发挥石墨烯材料迁移率高和单原子薄层等优势,规避其没有带隙或者小带隙的缺陷,其主要的性能包括灵敏度、线性度、分辨率、温度稳定性等都超过了基于传统半导体材料的霍尔元件,而且制备工艺简单,容易得到高性能的石墨烯磁敏传感器.基于化学气相沉积(CVD)生长并转移到绝缘基底上的石墨烯材料,批量制备出高质量性能均匀的石墨烯霍尔元件.通过低温的器件加工工艺,将石墨烯霍尔元件集成到硅基互补性金属氧化物半导体(CMOS)电路中,实现了高性能混合霍尔集成电路,展示了石墨烯霍尔元件与硅基CMOS集成电路良好的工艺兼容性.     

三维氧化石墨烯气凝胶高效吸附与可见光光催化去除六价铬

三维气凝胶材料由于具有大比表面积和优异的光学、电学等性能,近年来引起研究者的关注.本研究以氧化石墨烯（graphene oxide,GO）为前驱体,结合交联法与超临界CO₂萃取法制备了三维多孔和易于回收的氧化石墨烯气凝胶（graphene oxide aerosol,GOA）.采用扫描电子显微镜、X-射线衍射仪、拉曼光谱和氮气吸附法对其理化性质进行了表征,考察了其对于六价铬(Cr（Ⅵ）)的吸附和可见光下的光催化还原性能.GOA制备过程中GO被水热还原且基面产生了较多缺陷,三聚氰胺与三聚氰酸作为交联剂增大层间距的同时使GOA拥有大比表面积和丰富的多孔结构.GO、三聚氰胺、三聚氰酸质量比为3:3:3且GO浓度为6 mg L^–1时,获得的样品GOA_333-6的比表面积和缺陷密度最大,且展现出对Cr（Ⅵ）最优的吸附能力和可见光光催化效率.GOA对Cr（Ⅵ）的吸附行为符合拟二阶动力学模型和Langmuir吸附等温模型,说明该吸附过程为单层的化学吸附,其中初始吸附阶段颗粒内扩散是限速步骤.本研究结合了吸附和光催化技术,制备出的GOA...     

石墨烯基气体传感器

石墨烯作为一种由单层碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状二维晶体材料,拥有许多优异的力学和电学性能,在传感领域具有很大的应用潜力.在室温下超高的电子迁移率以及超大的比表面积这两个突出的特点,使石墨烯有希望成为一种具有超高灵敏度的气体传感器材料.作为一种典型的二维材料,石墨烯结构中的每个原子都可以被认为是表面原子,因此理想情况下每个原子都可以和气体发生相互作用,这使得基于石墨烯材料的气体传感器具有超高的传感响应以及超低检测限(甚至可以检测到1个分子).为了进一步提升传感性能,目前的研究主要从两个方面对石墨烯基气体传感器进行优化:(1)设计不同工作原理的气体传感器,满足不同的应用领域;(2)设计不同敏感材料的气体传感器,对石墨烯表面进行改性或与其他材料(金属、金属氧化物和有机聚合物)进行复合,使结构具有一定的特异性,提升气体传感器的气体选择性.本文将从上述两个方面综述气体传感器的主要研究成果和最新研究进展,并对未来一段时间内气体传感器的可能研究方向和重点研究内容等进行展望.     

MOFs作为牺牲模板制备纳米多孔碳材料的方法及其应用

近年来,多孔材料因具有较高的比表面积、较低的相对密度以及较好的吸附性能等吸引了化学、物理以及材料等领域科研人员的研究兴趣,已被广泛应用于气体储存、吸附催化和电化学等方面.金属有机骨架(MOFs)材料作为近年来迅猛发展的新兴多孔材料,由于具有有序、规整的结构,较高的比表面积以及结构可调等特性,使其较传统多孔材料具有更诱人的应用前景.然而,由于MOFs具有相对较差的稳定性,其实际应用和发展受到了很大的限制.为了进一步推进MOFs材料的应用进程,可利用MOFs材料受热易分解的缺点,将其高温煅烧碳化制备稳定的纳米多孔碳材料.本文综述了MOFs作为牺牲模板煅烧制备纳米多孔碳材料的方法及其应用,并且展望了其在能源、环境以及催化方面的应用前景.     

仿生石墨烯纳米复合材料及其在电子器件领域的应用

日益流行的柔性电子器件要求在反复变形状态下,材料仍能保持优异的力学和电学性能.而石墨烯作为一种二维(two dimensional,2D)碳纳米片,具有独特的力学和电学性能,成为构筑此类柔性电子器件的首选基元材料.然而,如何将石墨烯纳米片组装成高性能的石墨烯纳米复合材料,仍然存在巨大挑战.天然鲍鱼壳因其内部有序规整的层状结构和丰富的界面相互作用,而具有综合优异的力学性能.这种独特的界面结构设计,为2D纳米片仿生组装提供了新的思想源泉.本文按照"有所发现,有所发明,有所创造"的学术研究思路,总结了最近几年国内外课题组关于仿生石墨烯纳米复合材料(bioinspired graphene-based nanocomposites,BGBNs)的研究进展;分析了石墨烯层间不同的界面相互作用;详细讨论了基于协同效应,仿生构筑强韧一体化石墨烯纳米复合材料的策略;重点阐述了BGBNs的拉伸强度、韧性以及电导率等基本物理性能.最后,本文也简单概括了BGBNs在柔性电子器件领域的应用和潜在的挑战,并展望了BGBNs未来的发展方向.     

金属衬底上石墨烯生长机理研究进展

石墨烯作为一种新型的二维碳材料,在高性能纳米电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域具有非常重要的应用前景.然而,大规模可控合成高质量的石墨烯仍然面临巨大的挑战,其中比较有效的方法之一是在金属衬底上生长石墨烯.本文总结了近年来在金属衬底上生长石墨烯的机理研究方面取得的重要进展,从初始阶段、成核阶段、长大过程3个方面进行了介绍,最后还介绍了氢气在石墨烯生长过程中所起的重要作用,以期对石墨烯生长机理的深入研究及大规模可控制备提供帮助.     

石墨烯/碳纳米管复合材料的制备及其电化学电容性能

以化学气相沉积(CVD)法生长的石墨烯作为基体,采用原位复合方法制备出三维石墨烯/碳纳米管纳米复合材料.使用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对复合材料的微观形貌和结构进行表征,并运用循环伏安、交流阻抗等技术对纳米复合材料的超级电容性能进行研究.实验结果表明,石墨烯/碳纳米管纳米复合材料作为超级电容器电极材料,在1.5 mol/L Li_2SO_4体系中的最大比电容为289.8 F/g,经2000次循环后,其容量保持92%,表现出优异的比容量和循环稳定性.     

纳米铜和纳米导电纤维的结构

目前化学家们用化学法制备了各种无机固体小颗粒的催化剂及各种由纳米级微粒组成的薄膜与合金,这种材料的研制使得材料物理与化学更进一步地渗透,推动了材料科学的更新与进步.纳米金属超细微粒作为催化剂已经是化学家们熟悉的课题,例如在铂重整中所使用的铂黑等.使用物理法在高真空中制备的各种纳米超微粒子,具有体积小,比表面积大,且表面无微孔及其它极性物质(例如羟基等的吸附),因此引起了人们尝试用物理法研制纳米金属超微粒子作催化剂的兴趣.     

石墨烯量子点在肿瘤诊断与治疗中的应用

传统的治疗方式存在诸多缺陷,促使肿瘤治疗的研究转向纳米技术方向。利用纳米技术能够开发和制备纳米尺寸的功能材料,并将其用于疾病治疗、诊断和成像剂等方面。石墨烯量子点作为兼具石墨烯片状结构和量子点发光性质的碳基纳米材料,具有低生物毒性、高荧光量子产生率、稳定的光致发光性和优异的生物相容性等优点,被广泛应用于催化、传感、生物成像、医学诊断以及肿瘤治疗等不同的领域,也因此成为生物医药材料的研究热点。结合石墨烯量子点的制备、性质和应用等,文章主要综述了石墨烯量子点在药物递送、光动力治疗、光热治疗以及荧光成像与示踪等肿瘤诊断与治疗方面的研究。     

石墨烯量子点在肿瘤诊断与治疗中的应用

传统的治疗方式存在诸多缺陷，促使肿瘤治疗的研究转向纳米技术方向。利用纳米技术能够开发和制备纳米尺寸的功能材料，并将其用于疾病治疗、诊断和成像剂等方面。石墨烯量子点作为兼具石墨烯片状结构和量子点发光性质的碳基纳米材料，具有低生物毒性、高荧光量子产生率、稳定的光致发光性和优异的生物相容性等优点，被广泛应用于催化、传感、生物成像、医学诊断以及肿瘤治疗等不同的领域，也因此成为生物医药材料的研究热点。结合石墨烯量子点的制备、性质和应用等，文章主要综述了石墨烯量子点在药物递送、光动力治疗、光热治疗以及荧光成像与示踪等肿瘤诊断与治疗方面的研究。     

天然纤维素物质模板制备功能纳米材料研究进展

自然生物物质特殊的天然结构赋予其人工材料所难以比拟的优异功能,是构建人造功能纳米结构材料理想的模板物质.天然纤维素物质作为一种常见的天然高分子化合物,从宏观到分子层次的独特阶层结构及其在纳米层级上的多孔网状形貌可期赋予以其为模板而制备的有关人造材料独特的性质和功能.以纳米层级的精度和客体基质(无机和有机的)精确复制自然纤维素物质,能够最大限度地把其优异性能(如多孔隙结构和高内表面积)引入到相应的人造材料中去.应用表面溶胶-凝胶方法可以在纤维素物质的纳米纤维表面以纳米级别的厚度可控沉积金属氧化物凝胶薄膜,特定功能的客体物质能够进一步地表面组装于其上;继之以合适的方法去除纤维素模板成分即得到相应的具有纤维素物质阶层状结构和形貌的人造功能材料.本文简述了以此为基础设计和构建新型纳米结构材料(如金属氧化物及其复合纳米材料、聚合物纳米材料、硅和金属纳米材料等)的研究进展.以自然纤维素物质为模板或支架开发功能材料是一条获得新型功能纳米材料的简便、低成本和对环境友好的捷径.     

石墨烯透明电极在氮化镓基光电器件中的应用

二维材料石墨烯因其优异的特性或将在下一代纳米电子器件中发挥核心作用.其用作光电器件上的透明电极是目前公认的短期内最有可能实现产品化的领域.本文结合实验室的工作,综述了石墨烯应用作氮化镓(GaN)基光电器件(特别是发光二极管)透明电极的国内外最新研究进展,并对未来发展方向作了展望.     

基于化学气相沉积技术的粉体石墨烯的制备及能源领域应用

化学气相沉积技术(chemical vapor deposition, CVD)因其产物设计性强、反应途径灵活、层数均匀可控、衬底种类多样、批量化高品质制备等特点而广受关注.本文以CVD制备石墨烯为出发点,归纳利用模板法和非模板法合成具有特定形貌的高品质粉体石墨烯材料,其具有高电导率、大比表面积和良好的分散性.进一步地,基于CVD方法合成的粉体石墨烯,对其在能量存储领域的应用展开阐述. CVD技术所制备的粉体石墨烯在储能应用领域中展现出的巨大潜力,使其有望成为助力高能量长循环储能器件的理想材料.     

功能化介孔硅纳米载体的设计及其应用

随着纳米技术的飞速发展,纳米材料因其优良的物理化学性能在生物医学领域表现出巨大的应用潜力,已被广泛应用于药物/基因传递、疾病诊断、以及组织工程修复等,尤其在纳米抗癌制剂的研究中占有独特的地位.其中,介孔硅纳米粒子(mesoporous silica nanoparticle,MSN)因其独特的优良性能,如合成方法简单易行、重复性好、纳米粒子尺寸及介孔孔径均一可调、比表面积高、孔体积大、表面易进行功能化修饰、具有良好的生物相容性、能够有效负载诊疗制剂,而被广泛应用于构建药物控制释放系统.这种以介孔硅纳米粒子为基底构建的多功能智能响应载体系统能够有效运载抗肿瘤药物,其能够在到达病变部位以前保持"零释放"性能,而在进一步靶向功能基介导下特异性达到肿瘤部位或细胞后,在特异性刺激信号作用下响应性释放药物.这种将抗癌药物特异性传递至靶位点的方式,能够极大程度地发挥药物治疗效果,有效降低抗癌药物毒副作用,提高药物利用率,从而为高效抗肿瘤治疗提供保障.本文综述了刺激响应型介孔硅纳米粒子在抗癌纳米医学中的系列应用,着重介绍用于智能药物释放和肿瘤靶向治疗的介孔硅纳米粒子的多种功能化构建策略.     

Ru(0001)表面石墨烯的外延生长及其担载纳米金属催化剂的研究

采用室温下吸附乙烯结合高温退火的方法在Ru(0001)表面上制备了单层石墨烯结构. 利用扫描隧道显微镜(STM)、X射线光电子能谱(XPS)和紫外光电子能谱(UPS)研究了石墨烯的生长过程以及石墨烯的表面形貌和结构. 以单层石墨烯为模板, 制备了尺寸和空间分布比较均一的Pt纳米团簇.     

石墨烯海绵的光声效应

探索了三维石墨烯海绵的光声效应.由于其具有均匀的孔结构以及良好的吸光特性,石墨烯海绵能产生均匀的光声信号.通过研究石墨烯海绵在不同气体中的光声效应,获得了所产生的光声信号与气体性质的关系.研究发现,石墨烯海绵在不同频率(20~20000 Hz)范围内,产生的光声信号均具有良好的谐振性.为了进一步解释石墨烯海绵的光声机理,建立了相应的理论模型.这些结果为利用石墨烯材料在光声器件等方面的研究提供了有益的借鉴.